Для начинающих. Простой супергетеродин "315-23". Часть 13. ДПФ.

ДПФ - диапазонный полосовой фильтр. В простых приемниках он обычно стоит на входе между антенной и смесителем. Его задача - ослаблять сигналы зеркального канала приема, которая отстоит от основной частоты приема на удвоенную промежуточную частоты. Т.е. в нашем приеме - это аж целых 16 МГц. Это значит, что когда мы будем принимать сигналы диапазона 14 МГц, зеркальный канал будет лежать на частотах 30 МГц.

Вот именно в этом и состоит смысл использования высокой промежуточной частоты и кварцевых фильтров. Ведь. если мы будем использовать в качестве фильтра ЭМФ на 500 кГц, то зеркальный канал будет отстоять от основного всего на 1 МГц - чувствуете разницу? Ведь не даром появились приемники и трансиверы с двойным преобразованием частоты, типа UW3DI. А без этого станциям диапазона 14 - 14,35 МГц будут мешать вещательные станции 19-ти метрового диапазона (15,1 - 15,450 МГц). Это хорошо, что их сейчас немного, а раньше .....

Избирательным элементом в ДПФ являются колебательные контуры, их количество колеблется от 1 до 4-х и более. Обычно это параллельные колебательные контуры, которые на резонансной частоте высокое сопротивление.

Рис. 1.

А это значит, что колебания резонансной и близких к ней частот в контуре практически не ослабляются, а колебания с частотами, отличающиеся больше, поглощаются контуром. Хотелось бы, чтобы АЧХ контура была бы прямоугольной, но такого не бывает в аналоговой технике.

Одним из важнейших характеристик контура является его добротность, которая определяется как отношение энергии, запасенной в контуре к ее потерям за один период колебаний. Т.е., чем выше добротность, тем меньше потерь в контуре на резонансной частоте и тем Уже полоса пропускания контура.

Для повышения добротности контура нужно использовать конденсатор и катушку, имеющих малые собственные потери. Потери в конденсаторе прямо пропорциональны рабочей частоте, емкости конденсатора и потерям в диэлектрике. Отсюда вывод: конденсатор должен быть минимально возможной емкости и иметь низкие потери в диэлектрике, разделяющем обкладки (воздух, ВЧ-керамика, слюда).

Потери в катушке зависит от ее омического сопротивления: чем больше диаметр провода обмотки, тем выше добротность. Следует учитывать и скин-эффект, т.е. то, что токи высокой частоты текут не во всем объеме проводника, а только в тонком слое у его поверхности. Поэтому нужно выбирать толстый провод, у которого поверхность больше. чем у тонкого, а еще лучше поверхность провода серебрить, как делали раньше.

На низкочастотных диапазонах, где количество витков катушек достаточно большое и использовать провод большого диаметра невозможно, катушки мотают литцендратом - проводником, состоящем из большого количества тонких проводов, обычно диаметром 0,06 - 0,1 мм.

Вот, например, литцендрат ЛЭШО 175 х 0,1 мм.

Рис. 2.

Ну, это не для коротковолновых катушек, там обходятся ЛЭШО 9 х 0,07. Но это все теория, которую нужно проверить на практике. Для этого я взял каркас катушки от легендарного Р-250, слюдяной конденсатор 68 пФ и изобразил контур примерно на частоту 14 МГц.

Для настройки контура и измерения его параметров необходимы генератор и, желательно, высокоомный пробник с малой входной емкостью. У меня есть NanoVNA, с помощью которого очень удобно все настраивать: он включает в себя и генератор, и измеритель, и обрабатывает результаты. Единственный его недостаток - это то, что его выходное и входное сопротивления равны 50 Ом. Если с первым можно смириться, намотав на катушку контура катушку связи из 1 - 2 витков провода ПЭЛ 0,1, то входное сопротивление и емкость можно нивелировать с помощью самодельной измерительной головки. Да, можно и намотать такую же катушку связи, и настроить примерно тоже вполне удастся. Но если у вас есть ВЧ-пробник для мультиметра, то между ним и контуром можно поставить простой эмиттерный повторитель, а на его входе - конденсатор 2 - 5 пФ.

У меня измерительная головка для VNA собрана уже давно вот по такой схеме:

Рис. 3.

В качестве двухзатворника я взял BF998 (жаль, что он smd) и включил его по схеме усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, что позволяет подвести вершину АЧХ к уровню 0 дБ. А если потери невелики или есть усиление сигнала, то коэффициент передачи можно сделать равным нулю или даже ослабить его. Вот как это выглядит:

Рис. 4.

Первый вариант катушки я намотал проводом ПЭЛ 0,4 (10 витков).

Рис. 5.

Катушка связи - один виток провода диаметром 0,15 мм. Вот АЧХ этого контура:

Рис. 6.

Полоса пропускания по уровню -20 дБ аж почти 10 МГц, но у нас-то ПЧ=8МГц и зеркальный канал будет отстоять от 14 мГц на целых 16 МГц, т.е. будет ослабляться примерно на 40 дБ (в 100 раз). Использовав опцию программы NanoVNA Saver "Анализ" получил вот такой результат:

Рис. 7.

Не знаю, как они это считают, но добротность 9,79 для такой катушки явно маловата. Но нам важно сравнить результаты для разных катушек.

Второй вариант катушки - 10 витков провода ПЭЛ 0,6. Катушка связи - такая же, что и в первом варианте.

Рис. 8.

Вот АЧХ получившегося контура.

Рис. 9.

А вот результаты анализа:

Рис. 10.

Как видите, добротность возросла почти в два раза, а полоса пропускания сузилась.

Третий вариант катушки - 10 витков провода ПЭЛ 0,9 и один виток катушки связи.

Рис. 11.

Рис. 12.

Резонансная частота контура сдвинулась вверх, но, не смотря на это, полоса по уровню -20 дБ (относительно максимума) всего 2,7 МГц. А что скажет анализ?

Рис. 13.

Добротность увеличилась еще почти в два раза. Вот так влияет диаметр проводника на добротность контура.

Другой способ повышения избирательности - добавление контуров, взаимно связанных друг с другом. Давайте сравним АЧХ одиночного контура с АЧХ двух связанных контуров.

Рис. 14.

Сигнал я подаю на отвод катушки, что равнозначно использованию катушки связи. Все в АЧХ хорошо, но уж больно она остроконечная, а у нас диапазон занимает 350 кГц. Добавляем другой контур.

Рис. 15.

Кажется, что АЧХ похожи, но посмотрите на шкалу децибел: на рис. 14 минимум - -36 дБ, а на рис. 15 - аж -90 дБ! Чувствуете разницу! (-90 дБ соответствует ослаблению более чем в 30 000 раз!). Но опять же, такая ачх хороша для работы в каком-то одном участке диапазона 20 м, например, в FT8. Обратите внимание на величину нагрузочного сопротивления - 100 кОм, т.е. здесь нужен эмиттерный повторитель. И еще: уровень входного сигнала 100 мВ, т.е. -20 дБ, а на выходе +6 дБ. Вот вам и усиление без усилителя.

В системе из двух резонансных контуров большое значение имеет не только резонансная частота каждого контура. но и величина связи между ними. На рис. 15 связь обеспечивает конденсатор С3 = 0,3 пФ, т.е. связь очень слабая. А если ее усилить, увеличив емкости С3 ....

Рис. 16.

При увеличении связи между контурами АЧХ становиться двугорбой и по уровню -3дБ полоса составляет около 250 кГц, а по уровню -20 дБ - около 800 кГц.

Рис. 17.

В этом случае полоса отличная. но неравномерность побольше. Обратите внимание, что на рис 15 - 17 емкости конденсаторов в колебательных контурах С1 и С4 немного отличаются, что указывает на необходимость тонкой настройки, а, значит, индуктивность катушек или емкость конденсаторов должны подстраиваться. Это обеспечивает наличие подстроечного сердечника у катушек или составление контурных конденсаторов из двух: постоянной емкости и подстроечного.

Давайте посмотрим АЧХ двухконтурного ДПФ на диапазон 80 м, катушки в котором намотаны литцендратом 7 х 0,09 на кольцах из феррита 100 ВН.

Рис. 18.

Настроечными элементами являются подстроечные конденсаторы от дядюшки Ху с максимальной емкостью 60 пФ.

Рис. 19.

Ширина полосы по уровню - 3 дБ около 200 кГц, максимум - в цифровом участке и начале участка SSB.

Ну и,наконец, вернемся к нашему приемнику. Если у вас нет градуированного генератора, то можно использовать кварцевый генератор с кварцем 14,31818 МГц, который за полсотни можно купить у дядюшки Ху целый десяток. И в этом случае, особенно если у вас нет промышленного каркаса, лучше использовать одноконтурный фильтр, который настроить будет гораздо проще.

Рис. 20.

Убираем С2, С3 и L2, подключаем левый вывод С4 к контуру - и все изменения. В качестве каркаса можно взять отрезок корпуса фломастера, а обмотку намотать проводом 0,6 - 0,9 мм. Можно склеить каркас из бумаги, наматывая бумажную ленту на корпус фломастера или шариковой ручки, или на хвостовик сверла диаметром 6 - 8 мм, промазывая все слои кроме первого клеем (подойдет любой).

Индуктивность катушки должна быть 2,1 - 2,2 мкГн. В программе Coil64 можно с достаточной точностью рассчитать количество витков. Порядок такой:

1. Рассчитываем индуктивность по емкости (или наоборот).

Рис. 21.

2. Рассчитываем количество витков катушки по известной индуктивности.

Рис. 22.

Если вы выполнили пункт 1, то результат расчета индуктивности автоматически появится в окошке "Индуктивность", так же появится и значение частоты. Вводите диаметр вашего каркаса, диаметр провода, при этом в окошке "Диаметр провода с изоляцией" автоматически появится значение. Обратите внимание на "Шаг намотки": его значение должно хоть на 0,01 быть больше значения диаметра провода с изоляцией, иначе программа ругнется.

У меня диаметр провода 0,6 мм, диаметр каркаса - 10 мм. В итоге получилось 18 витков. Контурные конденсаторы С1 и С3 каждый состоят из параллельно соединенных постоянного 47 пФ и подстроечного с максимальной емкостью 60 пФ. Конденсатор С2 - 3 пФ (1 + 2 пФ), конденсатор С4 = 10 пФ, транзистор - КТ315, напряжение на его эмиттере около 3 В. Вот как это выглядит.

Рис. 23.

Катушка связи наматывается на "холодном" конце катушки, соединенным с общим проводом и имеет 2 витка провода ПЭЛ 0,15 - 0,3.

Порядок настройки такой: настраиваем контур L1C1. Для этого отпаиваем левый по схема вывод С4 и соединяем его с настраиваемым контуром, отсоединив при этом один из выводов С2. На катушку связи подаем сигнал от генератора и настраиваем контур на частоту 14 МГц по максимальному показанию вольтметра, подключенного к выходу эмиттерного повторителя через ВЧ-пробник.

Затем настраиваем второй контур, подавая сигнал генератора на временную катушку связи, которую наматываем с заземленного конца катушки. Не забываем подпаять вывод С4 на его место. Настраиваем второй контур на частоту 14 МГц. Убираем катушку связи с второго контура и восстанавливаем соединение С3.

Теперь самое тонкое: получение необходимой двугорбой АЧХ. Для этого прогоняем генератор от 7 Мгц до 20 МГц, отмечая показания вольтметра. Они должны в начале увеличиваться, затем чуть уменьшится, снова немного увеличиться и затем падать. "Ямки" на максимуме может и не быть. Можно нарисовать АЧХ по точкам.

У меня получилось вот что:

Рис. 24.

Полоса пропускания по уровню -3 дБ у меня получилась примерно от 14045 кГц до 14180 кГц, т.е. захватывает верхнюю часть CW-диапазона, в том числе и частоту QRP (14060 кГц), диапазон цифровых видов (FT8 - 14074 кГц), и нижнюю половину SSB - диапазона, где в основном и работают российские радиолюбители.

Ну вот, вроде все блоки готовы, будем их собирать.

Всем здоровья и успехов!